風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合優(yōu)化運行

趙詩雅，常 帥，王仕龍，楊培培

（1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2.國家電網(wǎng)宜昌長陽供電公司，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

能源危機與環(huán)境污染是當(dāng)今社會共同面對的重大課題，選擇可再生能源并且開發(fā)和利用，實現(xiàn)能源優(yōu)化配置，提倡低碳經(jīng)濟的發(fā)展，是世界各國當(dāng)之無愧的選擇。風(fēng)力發(fā)電作為已發(fā)展成熟的可再生能源發(fā)電技術(shù)之一，具有無污染、投資周期短等優(yōu)點，近年來發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍越來越廣［1－3］。風(fēng)力發(fā)電具有間歇性和波動性的特點，因此大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、調(diào)峰、調(diào)頻等問題是我國乃至世界各國面臨的主要難題［4－5］。

抽水蓄能是目前最為經(jīng)濟且成熟的調(diào)峰電源，它在保障系統(tǒng)安全性能與高質(zhì)量供電的前提下，能很好地降低系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量和吸收低谷負荷，從而起到降低系統(tǒng)能耗的作用，并且環(huán)保。文獻［6］對蒙西電網(wǎng)中呼和浩特抽水蓄能電站與風(fēng)電的聯(lián)合運行進行模擬，驗證抽水蓄能電站與大規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)電聯(lián)合運行的可行性、經(jīng)濟性以及帶來的巨大效益。

本文提出風(fēng)電場與抽水蓄能電站組成聯(lián)合體的優(yōu)化調(diào)度模型，這種模型以聯(lián)合體經(jīng)濟效益與風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性作為優(yōu)化目標(biāo)，并且考慮了抽水蓄能機組運行中途的啟、停以及實時運行工況的限制等諸多不利因素。對于該模型的求解是一類復(fù)雜的非線性組合優(yōu)化問題，本文采用遺傳算法對建立的模型進行優(yōu)化求解。

1 風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合優(yōu)化運行模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

把風(fēng)電－抽水蓄能聯(lián)合運行經(jīng)濟效益最大化作為目標(biāo)函數(shù)f1，把出力穩(wěn)定性最佳作為目標(biāo)函數(shù)f2，考慮到抽水蓄能電站中發(fā)電機組的啟停成本以及偏離出力計劃的懲罰，具體如下：

上述兩式中：把全天24小時分為96個時段，每15分鐘為一個時段，i表示時段。ci為i時段的上網(wǎng)電價，Pwi為i時段風(fēng)力機直接輸送到電網(wǎng)的功率，Phi為i時段水力發(fā)電功率，Ppi為i時段水泵抽水功率，Cu和Cd為水泵啟動和停機成本，nui和ndi為i時段啟動和停機水泵機組臺數(shù)，β為出力偏離的懲罰系數(shù)，Li為i時段風(fēng)電場與抽水蓄能電站聯(lián)合體的計劃出力。

1.2 聯(lián)合運行出力

風(fēng)電場與抽水蓄能電站聯(lián)合體的計劃出力如下所示：

式中：P＇wi為i時段風(fēng)電機組預(yù)測出力；Lsi為i時段的總負荷，0＜η＜1。

1.3 約束條件

（1）不等式約束

抽水蓄能電站的水庫在整個風(fēng)電場運行中起著儲能的作用。庫容設(shè)計對整個抽水蓄能電站有著重要影響。其庫容約束如下：

式中，Ei為i時段的水庫水位勢能；Emax為水庫最大庫容。

抽水蓄能電站中機組的啟停既會耗費時間又會使成本費用增加，在整個運行調(diào)度中要重視對機組啟停的控制。其約束如下：

式（7）表示水力發(fā)電機組的出力限制，機組的發(fā)電與抽水狀態(tài)時互斥。其中Phmin和Phmax表示水力發(fā)電機組出力的上限和下限；N為抽水蓄能電站所擁有的可逆式抽水－發(fā)電機組數(shù)為i時段工作的水泵機組數(shù)；t表示的是一個時間段的時間，本文設(shè)定為15分鐘；ηh為水力發(fā)電機組的效率。式（8）表示水泵機組的出力限制。Phmin和Phmax分別表示一臺水泵機組的功率上限和下限。由于水力發(fā)電機組啟動和停止所需的成本較小，所以本文建立的模型沒有考慮這個因素。式（9）表示由于現(xiàn)有技術(shù)或其他原因造成的棄風(fēng)部分。

（2）等式約束

式（10）表示兩個時間段之間的儲能變化。其中水庫的初始勢能和最末勢能為已知值；ηp為水泵的工作效率。式（11）表示的是兩個時間段之間水泵機組工作臺數(shù)的變化關(guān)系。式（12）表示風(fēng)電場與抽水蓄能電站聯(lián)合體的能量守恒，其中Pvi為風(fēng)功率預(yù)測值。

2 基于遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計

遺傳算法是建立在群體遺傳學(xué)基礎(chǔ)上的染色體復(fù)制、交叉和突變等，具有廣泛的適應(yīng)性。本文把每段時間內(nèi)風(fēng)電機組出力、水力機組出力、水泵機組消耗功率以及其他決策變量和參數(shù)組成染色體，并進行標(biāo)號，全部時間段的染色體構(gòu)成種群。

針對前面已經(jīng)建立起來的風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合優(yōu)化模型，運用遺傳算法進行求解，其具體步驟如下：

①采取實數(shù)編碼的方法，對上述模型中變量和優(yōu)化參數(shù)編碼后構(gòu)成染色體種群。

②根據(jù)目標(biāo)函數(shù)算出個體適應(yīng)度值。

③保留迭代過程中適應(yīng)度最好的個體，對其他個體進行交叉和變異運算。

④剔除遺傳操作產(chǎn)生的相同子代，并對產(chǎn)生的新種群依據(jù)目標(biāo)函數(shù)計算個體適應(yīng)度值。

⑤若滿足給定的允許誤差，則算法搜索停止，并輸出最佳個體。否則轉(zhuǎn)向第③步，直到迭代次數(shù)超過最大遺傳代數(shù)，尋優(yōu)結(jié)束。

3 算例及分析

3.1 算例系統(tǒng)

本文采用某地區(qū)的風(fēng)電出力和典型日負荷數(shù)據(jù)。將某抽水蓄能電站的參數(shù)結(jié)合在一起構(gòu)成本文算例。該風(fēng)電場裝機容量是6 000 MW，抽水蓄能電站有5臺可逆式水泵－水輪機，它們的額定功率是400 MW。

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

抽水蓄能電站水庫最大的水位勢能Emax是8 000 MWh；對抽水蓄能電站的啟動與停止采用分開計費的模式，每次啟動與停止都將會花費2 000元。單臺水泵機組的功率上、下限分別為400 MW和200 MW；水力發(fā)電機組出力的上、下限分別為400 MW和0；為了簡便考慮，假設(shè)抽水蓄能電站水庫每天的初始水位和最后水位都是0。為了減小實際出力與上報出力之間出現(xiàn)偏差，選取一個懲罰系數(shù)，本文取值為0.5。

在我國，峰谷電價與當(dāng)?shù)氐陌l(fā)電成本、經(jīng)濟發(fā)展水平等因素密切相關(guān)，所以不同的地區(qū)峰谷電價之間相差比較大。本文取08∶00～22∶00時間段電價為1.0元／kWh，22：00～次日08∶00時間段電價為0.5元／kWh。

3.3 仿真結(jié)果與分析

3.3.1 風(fēng)電場與抽水蓄能電站聯(lián)合運行

針對前面建立的風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合優(yōu)化運行模型，采用遺傳算法進行求解，通過仿真得到的結(jié)果如圖1所示。經(jīng)過分析計算，可以得出其總收益是28.32萬元，懲罰費用是4.38萬元，啟停需要的成本是3.8萬元。

圖1 風(fēng)電、水電以及總并網(wǎng)功率

3.3.2 風(fēng)電場獨立運行

在風(fēng)電場獨立運行的情況下，得到的效益可按下式計算：

此時在計算式（2）時取η＝1。在模型中其他參數(shù)不變時，通過仿真得到的結(jié)果如圖2所示。通過計算，可以得出其總收益是22.56萬元，懲罰費用是8.47萬元。

圖2 風(fēng)電場獨立運行時并網(wǎng)功率

3.3.3 兩種運行方式對比

通過對風(fēng)電場和抽水蓄能電站聯(lián)合運行模式與風(fēng)電場獨立運行模式的結(jié)果進行比較，可以得出，聯(lián)合運行模式的收益比風(fēng)電場獨立運行模式收益上升了25.53%，并且懲罰費用下降了很多，減小了48.2%。效益提高的主要原因有以下幾點：

（1）抽水蓄能電站把低谷電價時的風(fēng)電儲存起來，然后在高峰電價時送入電網(wǎng)。抽水蓄能電站在低谷電價時段抽水增加水庫庫存，而在高峰電價時段發(fā)電調(diào)峰。

（2）抽水蓄能電站的配合明顯提高了輸出功率與負荷曲線變化趨勢相吻合的程度，減輕電網(wǎng)的調(diào)控壓力，很大程度上降低了出力偏離的懲罰費用。

4 結(jié) 論

本文提出以經(jīng)濟性以及穩(wěn)定性作為優(yōu)化目標(biāo)的風(fēng)電與抽水聯(lián)合優(yōu)化運行模式，考慮了抽水蓄能電站的庫容、機組啟停次數(shù)和風(fēng)電并網(wǎng)的限制等約束條件。所建模型是復(fù)雜的多目標(biāo)組合優(yōu)化問題，所以采用遺傳算法優(yōu)化求解。通過實際的算例分析結(jié)果可知，風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合運行可以通過抽水蓄能電站把負荷低谷時段的多余風(fēng)電轉(zhuǎn)化為負荷高峰時段的緊缺電能，這樣不僅能夠更好地滿足實際負荷的需求，還能使總體的經(jīng)濟性得到提高，證明了本文建立的模型以及采用求解算法的可行性與有效性。

［1］ 劉世林，文勁宇，孫海順.風(fēng)電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)研究進展［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2013，（23）：145－153.

［2］ 袁小明，程時杰，文勁宇.儲能技術(shù)在解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問題中的應(yīng)用前景分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，（01）：14－18.

［3］ Castronuovo，E D Lopes，J A P.On the Optimization of the Daily Operation of a Wind－Hydro Power Plant［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2004，3（19）：1599－1606.

［4］ 劉 純，王躍峰，黃越輝.風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.供用電，2013，（04）：1－8.

［5］ Alexisdis M，Dokopoulos P，Sahsamanoglou Hetal.Short term forecasting of wind speed and related electrical power［J］.Solar Energy，1998，63（1）：61－68.

［6］ 徐 飛，陳 磊，金和平.抽水蓄能電站與風(fēng)電的聯(lián)合優(yōu)化運行建模及應(yīng)用分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，（01）：149－154.